浅谈化学平衡
来源：浅谈化学平衡
发表者：环保清洗网
发表时间：2008-09-25
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化学平衡是化学反应的普遍现象，分析与了解化学平衡是具有重要意义的。它将有助于人们控制化学反应条件，使反应按预定的方向进行；或者了解在给定的条件下反应进行的最大限度等。
化学平衡移动；在某些普通化学和无机化学教材中有这样一种表述：这种因旧的平衡被破坏，而建立新的平衡所引起的浓度（或百分含量）变化称为化学平衡的移动。而且书中还指出这种“浓度（或百分含量）变化”是指新平衡态中各组分浓度与原平衡态的不相同。另一些教材，虽也给出了其它的表述方法，但同时又指出，化学平衡移动后，新平衡状态中反应物和生成物的浓度与原平衡态不同。显然，上述定义是通过新旧化学平衡混合物中各组分的浓度（或百分含量）是否发生改变来衡量是否移动的。
平衡移动原理也称勒沙特列原理，它的基本思想是：平衡体系中化学反应进行的方向与引起该平衡移动的条件（如T、P等）的变化总是对抗着的（如温度升高，平衡就会向着温度降低的方向移动），且这种对抗一直持续到达新的平衡为止。
一、化学平衡相关的几个概念
化学反应速率和化学平衡，是两个并不相同但又相互有关的概念。由于一些相同的外界因素，如温度、浓度、压强和催化剂等，对它们产生的影响和结果有时是相同的，有时是不同的。因此容易造成学生对这两类问题的混淆。
化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应中，正反应和逆反应的速度相等，反应体系中各组分保持不变的状态。所以说化学平衡研究的是反应进行的完全程度问题，即达平衡时反应体系中各物质的平衡浓度，以及外界条件变化对其产生的影响。
（一）化学反应速率和化学平衡
1、化学反应速率研究的是给定条件下化学反应的快慢问题，它反应了单位时间里反应物或生成物浓度变化的大小。如炸药爆炸在瞬间完成，而铁生锈却需一段时间。在此有必要指出的是：（1）从物理角度看，速度是矢量，具有方向性。因此，应采用标量——即化学反应速率来表示。
（2）在中学化学教材中，沿用化学反应速率（且为平均速度），即用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
2、反应类型的区别
（1）化学平衡专门研究可逆反应。
（2）反应速率研究范围包括可逆反应和非可逆反应。
3、研究方法不同
（1）化学平衡采用化学热力学的研究方法。
（2）化学反应速度采用化学动力学的研究方法。
（二）等效平衡
在一定条件下（定温、定容或定温、定压），对同一可逆反应，起始时加入反应物、生成物的物质的量不同，而达到化学平衡时，同种物质的含量相同，这样的平衡就可以称之为等效平衡。
化学平衡的建立与途径无关，对于一定条件下的可逆反应，如果起始时加入反应物的物质的量不同，而达到平衡时各组分的百分含量相同，这样的平衡称为等效平衡。 【判断方法】等效平衡的实质是在相同条件下，加入起始的物质的量浓度相同或是相当，则平衡时其组分百分含量一定相同。在判断的时候要根据反应条件，确定其起始反应的物质的量浓度相同或是相当。即在等温等压条件下，加入起始物质的物质的量的比值相等或是相当；在等温等容条件下加入起始物质的物质的量相等或是相当，则都可以达到等效平衡。（一般采用“一边倒”的方法来判断，即假设反应物或生成物全部转化为生成物或反应物，其物质的量与原反应相同或比值相同。）
【规律】1、对一般的可逆反应，在定温定容条件下，只改变起始时加入物质的量，如根据其化学方程式计算系数比能换算同一半边的物质的量与原平衡相同，则两平衡等效。
2、在定温定容情况下，对于反应前后气体分子数不变的可逆反应，只要反应物（或生成物）的物质的量的比例与原平衡相同，则两平衡等效。
3、在定温定压下，改变起始时加入物质的物质的量，只要按化学计量数换算成同一半边的物质的物质的量之比与原平衡相同，则达平衡后与原平衡等效。
二、化学平衡的实质和特点
化学平衡的实质是反应物与产物混合共处于同一系统中，从动力学观点看。其正、逆向反应速率相等。从热力学角度看，平衡时产物的各组分化学势之和等于反应物的各组分化学势之和。因此，化学平衡是在一定条件下，生成物和反应物按一定比例共存的一种状态。
化学平衡的特点，不论是从正向或是逆向开始反应，反应起始物浓度可以是任意的，只要温度恒定，则生成物浓度以其计量数作为次方幂的乘积与反应物浓度以其计量数作为次方幂的乘积之比是个定值，谓之平衡常数。也就是说，作用于反应平衡系统的条件不变，其中各物质的浓度或压力就不再随时间而变化。每个反应在一定条件下都有个相应的平衡常数，其值表明反应进行的完全程度，数值大（生成物的浓度幂大），说明正向反应完全；数值小（反应物浓度幂大）。说明逆向反应完全。
三、化学平衡的分析
1、化学反应达到平衡的标志
（1）V正 = V逆
（2）参加反应的各物质的浓度不随时间的改变而改变；
以上两点，我们也可以理解为，反应达到平衡时，某一物质生成和消耗的速度相等。
（3）反应物和产物均为气体或部分为气体的反应，当反应平衡时，体系的总压力不随时间的改变而改变。（不包括反应前后气体分子数目相等的反应）
2、化学平衡的移动，符合勒沙特列原理
四、影响化学平衡的因素
对任一化学反应而言，当其正、逆反应速率相等时，体系所处的状态即为化学平衡状态，简称化学平衡：它建立的前提是：只有在恒温条件下，封闭体系中进行的可逆反应方可。此外，化学平衡是动态的、有条件的、暂时的平衡。当外界因素改变时，正、逆反应速率发生变化，原有平衡将受到改变，直至建立新的动态平衡。
影响化学平衡的外界因素有哪些呢？大致地分可分为两类：（1）温度的影响。（2）浓度的影响。这两者对化学平衡影响的本质是不同的：改变温度是改变了化学平衡的平衡常数值；而浓度的影响只能使平衡点发生改变，而其平衡常数值不变。
对于有气体参与的反应，除了直接改变反应物、生成物的浓度外，还可以采取改变压力或充入惰性气体的方式，改变物质的浓度，从而使平衡发生移动。
内因：化学反应的本身性质。
外因：温度、浓度、压强（气体）等。
1、 温度
温度对平衡体系中化学反应方向影响的定性描述是：在其它条件不变的情况下，升高温度，平衡向着吸热（降低温度）方向移动；降低温度，平衡向着放热（升高温度）方向移动。这种面对温度的改变，以平衡向着降低温度方向移动来与温度的升高想对抗；平衡向着升高温度方向移动以对抗温度的降低的“对着干”的原理，就是温度影响平衡的实质。
2、 浓度
在其它条件不变时，改变化学平衡的组分浓度（摩尔分数）有可能使平衡发生移动，但移动的结果将出现两种情况：一种是，变成一个各组分浓度与原平衡态不同的新平衡态；另一种是，在特定条件下，变成一个各组分浓度与原平衡态相同的新平衡态。因此，用新旧平衡态浓度发生改变来定义化学平衡移动显然是不妥当的。比较稳妥的表述是：当外界条件改变，化学反应从一种平衡状态变到另一种平衡状态的过程称为化学平衡移动。无论改变温度、压力还是改变浓度，化学平衡状态都要发生改变，即使新旧平衡态的浓度相同，由于两个状态的物质数量不同，也不是同一平衡态。
3、 压强：
若改变压强后，能同等程度改变反应体系中各物质浓度（或分压），则直接由压强改变来判断，若仅部分反应物质浓度（或分压）改变，则应由浓度改变来判断；若虽压强发生变化，但反应体系物质浓度（或分压）未发生变化，则平衡不移动。
【注意】催化剂在化学平衡中的作用。催化剂可以分为：正催化剂和负催化剂。正催化剂能加快化学反应速率。负催化剂能减慢化学反应速率。我们在化学反应中一般采用的是正催化剂。实验表明，催化剂之所以能加速反应，是因为它参与了变化过程，改变了原来反应的途径，降低了反应的活化能。基于此，假设催化剂先与反应物生生成某种不稳定的中间化合物，该中间化合物继续反应生成产物并放出原催化剂。
在一定温度下，设有某一可逆反应 A + B ←→ AB ⑴
无催化剂存在时是按照途径Ⅰ进行的；当有催化剂M存在时，其反应机理发生了变化，反应按照途径Ⅱ分两步进行。反应机理为
A + M ←→ AM ⑵
AM +B ←→ AB +M ⑶
催化剂存在虽然改变了正逆反应的速度，但平衡常数K不变，即不影响化学平衡。催化剂不影响产物与反应物的相对能量，未改变反应的始态和终态。对于热力学上可以进行的反应，理想催化剂只能缩短到达平衡的时间，不能改变平衡的位置。催化剂同等程度地加快正、逆反应的速度。催化剂参与了化学反应过程，生成中间产物，改变了反应的机理和途径，降低了速度决定性步骤的活化能，使反应加速。
对于可逆反应，催化剂能同时加快正、逆反应的速度，也即催化剂只能加快反应速率，缩短平衡到达时间，并不改变平衡状态，即不会使平衡移动。
五、化学平衡原理在工业生产中应用
如工业合成NH3、工业制H2SO4中SO2的催化氧化都涉及最适宜条件的选择。工业上为提高原料的利用率降低成本，想是希望单位时间内生成物的产量越高越好，因此，选择最适宜条件的原则是：更可能加快反应速率，缩短达平衡时间；同时更希望可能使平衡向正反应方向移动，使平衡混合物中生成物的百分含量提高。
如工业合成NH3 ，反应特点是：
1、 反应物和生成物都是气体且属于可逆反应。
2、 正反应是体积减小的放热反应。
3、反应物N2和H2的键能大，稳定，反应的活化能较高。
适宜条件的选择：
（1）催化剂：由于反应的活化能高，必须选择正催化剂用来降低反应的活化能，虽然不能使平衡发生移动，但可加快反应速率，缩短平衡时间。
（2）温度：升温可加快反应速率，缩短达平衡时间，但平衡向逆向移动，平衡混合物中NH3的含量降低，考虑在适宜的高温下催化剂活性高，反应速率快，平衡时NH3的含量不会很低等因素，工业选择温度在500。左右。
（3）压强：加压反应速率快，平衡时NH3的含量也高，但受动力、设备才材料的限制，工业上选择200——500大气压。
（4）浓度：不断补充N2和H2并及时分离NH3，使平衡向正反应方向移动、而且适当增加廉价的N2的投料比例，来提高H2的转化率，降低成本。
而工业制H2SO4 SO2催化氧化为SO3时，该可逆反应的特点是：正反应放热；前后气体分子数变化不大，工业上常采用加热、常压，来降低成本。
六、总结
化学平衡是指“当可逆反应的正、逆反应速度相等是体系所处的状态”，但此时反应并未停止，整个体系处于动态平衡；平衡是相对的、暂时的，当外界条件改变时，可逆反应会从暂时的平衡变为不平衡，经过一定时候，在新的条件下又建立了新的暂时的平衡，即平衡发生了移动。浓度、温度、压力等条件的改变可以使化学平衡向不同的方向移动，勒夏特里对此概括出一条普遍的规律：“如果对平衡体系施加外力，平衡将沿着减小此外力的方向移动。”这一规律适用于所有的动态平衡，用它来考察外在条件对平衡的影响是很方便的。
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